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新型電極材料“助力”鋰電池“快充”
時(shí)間:2020-10-12 10:58來源:中國科學(xué)報(bào) 作者:桂運(yùn)安 胡冬寅
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充電9分鐘可恢復(fù)約80%的電量、2000次循環(huán)后仍可保持90%的容量……中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授季恒星研究組與合作者全新設(shè)計(jì)的新型鋰電池電極材料——黑磷復(fù)合材料，使兼具高容量、快速充電能力且長(zhǎng)壽命的鋰電池成為可能。該成果10月9日發(fā)表在《科學(xué)》。
隨著環(huán)保意識(shí)深入人心，電動(dòng)汽車愈發(fā)受到市場(chǎng)青睞，但漫長(zhǎng)的充電時(shí)間令人望而卻步。電極材料是決定電池性能的關(guān)鍵因素之一。“我們希望發(fā)現(xiàn)一款既能在綜合性能指標(biāo)方面給行業(yè)以期待，又能適應(yīng)工業(yè)化電池生產(chǎn)流程的電極材料。”季恒星表示。論文第一作者、季恒星團(tuán)隊(duì)成員金洪昌介紹，能量通過鋰離子與電極材料的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)出電池，因此電極材料對(duì)鋰離子的傳導(dǎo)能力是決定充電速度的關(guān)鍵；單位質(zhì)量或體積的電極材料容納鋰離子的多少，也是一個(gè)重要因素。
黑磷是白磷的同素異形體，特殊的層狀結(jié)構(gòu)賦予它很強(qiáng)的離子傳導(dǎo)能力和高理論容量，是極具潛力滿足快充要求的電極材料。然而，黑磷容易從層狀結(jié)構(gòu)的邊緣開始發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，實(shí)測(cè)性能遠(yuǎn)低于理論預(yù)期。季恒星團(tuán)隊(duì)采用“界面工程”策略，將黑磷和石墨通過磷碳共價(jià)鍵連接，在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的同時(shí)提升了材料內(nèi)部對(duì)鋰離子的傳導(dǎo)能力。團(tuán)隊(duì)還用輕薄的聚合物凝膠做成防塵外衣“穿”在復(fù)合材料表面，使鋰離子可以順利進(jìn)入。
“我們采用常規(guī)的工藝路線和技術(shù)參數(shù)，將黑磷復(fù)合材料做成電極片。”論文共同第一作者、中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員辛森介紹，如果能夠?qū)崿F(xiàn)這款材料的大規(guī)模生產(chǎn)，找到匹配的正極材料及其他輔助材料，并針對(duì)電芯結(jié)構(gòu)、熱管理和析鋰防護(hù)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將有望獲得能量密度達(dá)每千克350瓦時(shí)且具備快充能力的鋰電池。
研究人員表示，在現(xiàn)有新技術(shù)的基礎(chǔ)上，他們將在基礎(chǔ)研究和規(guī)模制備方面繼續(xù)探索，努力使研究結(jié)果更加貼近電池產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)實(shí)需求。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.aav5842
(責(zé)任編輯：子蕊)
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